半导体光电探测器

联系方式：[e-mail]0551-3603504第十二章光电探测器授课老师明海PPT制作时间07年4月引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器光电池光电二极管光电三级管半导体器件的选择CCD探测器引言探测器:光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探测。光电探测器:从近代测量技术来看，电量测量不仅是最方便，而且是最精确的，所以大部分光探测器都是直接或间接把光辐射能量转化为电量，#引言光电探测的物理效应主要分为三类，其中光电效应应用得最为广泛光电效应：入射光的光子与物质中的电子直接作用，改变电子的运动状态，产生载流子。光热效应：光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变。波相互作用效应：激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应。#引言光电效应：根据效应发生的部位和性质，分为：外光电效应：指发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电发射。这种效应多发生于金属和金属物。内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子光生效应。主要包括光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光磁电效应等。这种效应多发生于半导体内。#外光电效应:光致发射1)光阴极型:普通型,负电子亲和型2)增益型:气体雪崩型光电倍增型G—10E6通道电子倍增型内光电效应:光子不逸出表面激发附加载流子光电导效应,光伏效应,光电磁效应,登布效应,光敏晶体管自由载流子扰动光子牵引,热电子辐射计,Putley探测器局部扰动红外量子计数器,闪烁体,感光胶片引言光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，即光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红限”截至波长E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。光热效应类探测器对光波波长没有选择性，但是由于材料在红外波段的热效应更强，因而广泛用于对红外辐射，特别是长波长的红外线的测量，由于温度的升高需要热积累，所以探测器的速度较慢，而且容易受环境的影响。chcE#引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器光电池光电二极管光电三级管半导体器件的选择CCD探测器光电探测器的性能参数响应度/灵敏度或单位入射功率下探测器的输出信号（电压或电流）svsVRPsiisRP#光电探测器的性能参数光谱响应度或单位光功率单色光照射下探测器的输出信号（电压或电流）光谱响应光谱响应度随波长的变化关系称为光谱响应光谱响应宽度:峰值一半处的波长响应范围.ssvPVRssvPVR#信号噪声比snsnvPVNEPV/V光电探测器的性能参数噪声等效功率NEP入射光功率通常按某一频率变化，当探测器输出信号电压的有效值等于噪声均方根电压值时所对应的入射光功率探测度D探测器探测能力的指标，D越大，噪声等效功率越小，探测器性能越好vn1D==NEPV#光电探测器的性能参数光电流与入射光功率成正比量子效率代表入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目piieIPPh光电转换因子能量为hv的一个光子在探测器中能产生的具有电量为e的光电子数量piI/eP/h单位时间内光子所激励的光电子数单位时间内入射到探测器表面的光子数#光电探测器的性能参数时间常数探测器的惰性：当入射光功率发生突然变化时（如开始或停止照射），光电探测器的输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数来衡量在阶跃输入光功率条件下，光电探测器输出电流为当时，(稳态值)称为时间常数si)]/exp(1[)(titis()0.63sitit#i频率响应——探测器的响应度随入射光调制频率的变化特征多数探测器的响应度与调制频率的关系为当时，光电探测器的性能参数0(f)0.707012222(f)(1+4f)调制频率ｆ＝０时的响应度调制频率探测器的截止频率探测器时间常数决定了频率响应的宽度*1/2f#光电探测器的性能参数线性度探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成线性变化的程度和范围。一般来说，弱光强光sspisspi#引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器光电池光电二极管光电三级管半导体器件的选择CCD探测器光电探测器的噪声探测器在完成光电转化过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电流信号，同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号，这是一种起伏信号，其大小决定了探测器的探测能力计量起伏噪声（以起伏噪声电压为例，噪声电流类似）噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化均方值完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率—计量噪声电压大小—起伏噪声电压有效值记为记为n(t)n(t)0___2n___2n___2n2nVnVTT____________22__2222nnTT--2211V=[(t)-]=[(t)-]dt(t)dtTTni(t)#光电探测器的噪声总起伏噪声产生起伏噪声的电压因素很多，且彼此之间相互独立。_______________222nn1n2..._______________222nn1n2...热噪声暗电流噪声散粒噪声低频噪声等#光电探测器的噪声热噪声来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动计算公式：热噪声电压、电流均方值R—探测器内阻或等效电阻T—探测温度（K）—波尔兹曼常数—电子带宽额定噪声功率2nTV4TRf2nTI4Tf/Rf热噪声与T成正比，可通过降低探测器温度来减少热噪声热噪声与电子带宽成正比，而与频率无关，频谱无限宽，噪声功率密度（4kTR）为常数,为白噪声热噪声与电阻中是否有电流无关nPTf电阻所能输出的最大噪声功率与电阻无关#光电探测器的噪声暗电流噪声来源：探测器接入电路后由于热电子发射、场致发射或半导体中晶格热振动所激发出来的载流子产生的电流，与外来光照射无关。定义：暗电流噪声均方值—暗电流平均值ｅ—电子电荷R—探测器等效电阻—电子带宽22ndV2eIRf2ndI2eIffdI暗电流噪声与暗电流平均值成正比，可通过减少暗电流来减少噪声暗电流噪声与电子带宽成正比，也为白噪声#光电探测器的噪声散粒噪声来源：电子或光生载流子的粒子性例如：光电子发射探测器中，即使入射光平均辐射强度不变，发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。内光电探测器中，光生载流子的产生和复合的随机性，通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。定义：散粒噪声的均方值—通过探测器的平均电流Ｇ—探测器的电流内增益22n0I2eGIf222n0V2eGIRf0I#光电探测器的噪声低频噪声来源：目前尚不清楚。主要表现在大约１千赫以下的低频区域，且与调制频率成反比，故称为低频噪声。半导体表面有缺陷或不均匀时影响很大，故亦称表面噪声。定义Ａ—比例系数Ｉ—流过探测器的电流通常近似取12nIAIf/f0.8~1.52可以限制低频端调制频率来防止低频噪声#引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器光电池光电二极管光电三级管半导体器件的选择CCD探测器半导体光电探测器半导体光电探测器是利用半导体的内光电效应制成的光电转换器件分类1）根据器件工作的物理过程光电导型、光伏型、光子牵引型、光磁电型。2）根据器件的构造均质型、结型#引言光电探测器的性能参数光电探测器的噪声半导体光电探测器光电导探测器光伏探测器光电池光电二极管光电三级管半导体器件的选择CCD探测器光电导探测器光电导效应光电导效应是多数载流子导电的光电效应。均匀半导体材料吸收入射光辐射中的光子，使材料中产生附加的自由电子和自由空穴，即产生了光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。光电导探测器利用光电导效应可以制成各种用途的光电元件，如光敏电阻（光电导探测器）、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点，广泛用于微弱辐射信号的探测领域。#光电导探测器光电导效应本征半导体：光电导增量分别是电子和空穴的迁移率分别是电子和空穴浓度的增量，即光生载流子浓度截止波长npe(np)np和np和cg1.24(m)E(eV)入射光子的能量须不低于本征半导体的禁带宽度，既存在“红限”#光电导探测器光电导效应杂质半导体光电导率增量（N型）电子浓度增量（P型）空穴浓度增量截止波长为杂质电离能，通常杂质电离能远小于禁带宽度，所以非本征光电导的长波限远大于本征半导体的长波限。nnppenenci1.24(m)E(eV)iE#光电导探测器光电导探测器在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光电导探测器。当光电导探测器的两端加上适当的偏置电压后，便有电流流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光电导探测器上的光度量（如照度），发现流过的电流将发生改变，说明光电导探测器的阻值随照度变化。光电导探测器简单模型dWLPLRAVx#偏压负载电阻光电导探测器的性能参数光电导探测器结构设计基本原则光电导探测器的响应度与其两电极间的距离的平方成反比，为提高光电导探测器的响应度，要尽可能缩短其两电极间的距离。光电导探测器基本结构图示#光电导探测器光电导探测器分类根据半导体材料分类:本征型半导体光电导探测器杂质型半导体光电导探测器。本征型半导体光电导探测器的长波长要短于杂质型半导体光电导探测器的长波长，因此，前者常用于可见光波段的探测，后者常用于红外波段甚至于远红外波段的探测。#光电导探测器光电导探测器（弱辐射下）设模型为N型材料（P型同此分析）若光功率P沿x方向均匀入射，光电导材料的吸收系数为则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为（P为x=0处入射功率）x处光生载流子的浓度设为n(x)外加电场下，光电子的漂移电流密度为光电流平均值为P(x)Pexp(x)J(x)en(x)dpA0iJ(x)dAWen(x)dx=d00Peexp(x)dxhL稳态条件下光生载流子的产生率和复合率相等得00P(x)Pn(x)exp(x)WLhWLh0P(x)n(x)WLh#光电导探测器光电导探测器若入射光功率P全部被吸收探测器内平均光生载流子浓度为光电流值为量子效率为光电流平均值为为载流子在电极间的渡越时间为光电导探测器的内增益，等于载流子平均寿命与渡越时间之比，表示一个光电载流子对探测器外回路电流的有效贡献。00PnWLdh0p0ieP/hL0dpp0i/iexp(x)dx00pdePePei=GPhLhhdL0dG#光电导探测器的基本特性光照特性#光电导探测器的基本特性光电特性#光电导探测器的基本特性伏安特性#光电导探测器的基本特性频率特性#光电导探测器的基本特性温度特性#光电导探测器的性能参数响应度其中光电导增益为ivdeeGGRhh或000An0An2dVVGLLLL响应度与偏压和载流子平均寿命有关，可通过加大偏压来提高响应度，但是要受器件所能承受的最大功耗的限制，此外响应度与光敏面积有关#光电导探测器的性能参数光谱特性光电导探测器属于选择性探测